Markus Schumacher, Universität Bonn Detektor für TESLA Markus Schumacher, Universität Bonn Anforderungen Konzepte Entwicklungen Ich möchte ihnen heute den Detekor für TESLA vorstellen.

Physikalische Fragestellungen Präzisionsuntersuchungen des Higgs-Sektors des SUSY-Teilchen-Spektrums der Struktur der Raum-Zeit von „alternativen“ Theorien des „bekannten“ Standardmodells (speziell top-Quark und W-Boson) ZHH Selektion von seltenen Prozessen (s = 0.3 fb für ZHH) Genaue Rekonstruktion der Vierer-Impulse von Leptonen, Photonen, Jets und Fehlender Energie Beschleuniger mit hoher Luminosität Detektor für Präzisionsmessungen

Der TESLA e+e--Linear-Beschleuniger Schwerpunktsenergie 90 GeV bis 800++ GeV Zeitstruktur: 5 Bunch Trains/s Zeit zw. Kollisionen: 337 ns Ereignisraten Luminosität: 3.4x1034 cm-2 s-1 (6000xLEP) e+e-gqq 330/h e+e-gWW 930/h e+e-gtt 70/h e+e-gHX 17/h e+e-gqq 0.1 /Train e+e-ggggX 200 /Train „Untergrund“: 600 Treffer/BX im Vertexdet. 6 Spuren/BX in TPC Weitere Optionen: gg, eg, e+e-, ep (THERA), eN

Anforderungen an den Detektor Präzisionsmessungen bei ECM von 90 bis 800 GeV Impuls: d(1/p) = 7 x 10-5/GeV (1/10 x LEP) Stossparameter: dd = 5 mm Å 10 mm/p(GeV) (1/ 3 x SLD) Jetenergie : dE/E = 0.3/E(GeV) (1/ 2 x LEP) hermetisch bis zu: q = 5 mrad komplexe Endzustände: 8 Jets oder mehr höhere Spurdichten und höhere Energiedepositionen als bei LEP Zeitstruktur der Kollisionen und Untergrund von Beamstrahlung Auslesegeschwindigkeit / Granularität Strahlenhärte (fast) kein Problem im Vergleich mit LHC 1. Lage des Vertexdetektors: n/cm2/yr 109 TESLA, 1014 LHC Strahlenbelastung durch Untergrund, kaum durch Physikereignisse Design durch Präzisionsphysik bestimmt, nicht durch Strahlenhärte und Ereignisrate

Detektorkonzept Spurdetektoren und beide Kalorimeter innerhalb der Spule Magnetfeld 4 Tesla Grosse gasgefüllte zentrale Spurkammer Präzisionsvertexdetektor Kein „Hardware-Trigger“, daher keine Totzeit kontinuierliche Datenauslese für einen „Bunch Train“ (1ms) Nullunterdrückung, Treffererkennung, Digitalisierung in FE-Elektronik

Beamstrahlung und Maske 6x1010 g/BX 140000 e+e-/BX + Sekundärteilchen (n,m) aUnterdrückung benötigt a) Photonen entlang Strahlröhre b) Starkes Magnetfeld: meiste e+e- kollimiert auf kleine Radien c) Spezielle Abschirmung: instrumentierte Maske dennoch: VTX1: 0.03 Treffer/mm2/BX TPC: 6 Spuren, 1400 g,1500n/BX Kalorimeter: 1200 g ,e+e-/BX 8000n/BX E=12GeV/BX

Forschungs- und Entwicklungsarbeit F&E Anforderungen verschieden zu LHC Detektoren Grössere Granularität: el.-mag. Kalorimeter: 1/200 LHC Vertexdetektor-Pixelgrösse:1/30 LHC Dünnere Detektoren: Pixellagen: 1/30 x LHC Spurdetektor: 1/6 x LHC Höhere Auflösung: Spurauflösung bis 1/10 x LHC Andere Technologien, da geringere Ereignisrate u. Strahlenbelastung Aber oft profitieren von F&E für LHC (speziell Elektronik) Anforderungen (fast) unabhängig von Beschleunigertechnologie: supraleitend (TESLA) u. normalleitend (NLC,JLC) aweltweite, gemeinsame F&E-Aktivitäten F&E braucht Zeit a Schon heute beginnen !

Quark-Flavor Identifizierung (ID): Vertexdetektor Macht Higgs Masse ? gHff~mf Messung der Verzweigungsverhältnisse Hgbb,cc,gg mit DO(%) aEffiziente u. reine ID mittels Sekundär-, Tertiärvertices mit allen Spuren a M, l/sl , Q sd= a Å b/p Ziel: 5mm 10mm Präzise Messung des Stossparameters do do . b: 300 mm „harmlos“ c,t: 75 mm „herausfordernd“ <p> = 1 bis 2 GeV

Vertexdetektor: Konzept Pixeldetektor mit 5 Lagen kleiner R1: 15 mm (1/2 SLD) Grösse: 20x20mm2, sPunkt = 3 mm Dicke: 20mm=0.1 %X0/Lage 800 Millionen Auslesekanäle Trefferdichte: 0.03 /mm2 /BX bei R=15mm aPixelsensoren Auslese an beiden Leiterenden in Lage 1: Taktfrequenz 50 MHz, 2500 Pixelreihen akomplette Auslesezeit: 50ms ~ 150BX <1% aller Pixel mit Treffer Kein Problem für Spurerkennung erwartet

Vertexdetektor: Technologieoptionen Etablierte Technologieoption: CCDs Exzellente Erfahrung von SLD (300 Millionen Kanäle) F&E: Effizienz und Stabilität des Ladungstransports Auslesegeschwindigkeit, dünne Sensoren, mechanische Stabilität, Strahlenhärte LCFI Kollaboration: Bristol, Glasgow, Lancaster, Liverpool, Oxford, RAL Auslese „Neue“ Technologien: MAPS (Monolithtic Activ Pixel Sensors) und DEPFET (Depleted Field Effect Transistor) jeder Pixel selektiv ansteuerbar nur jeweils eine Zeile aktiv a geringerer Leistungsverbrauch erste Signalverarbeitung im Pixel a geringeres Rauschen intrinsisch strahlenhärter ??? Steuerung Auslese Fragen wie oben + Herstellung + Betrieb von grossen Pixelmatrizen

Vertexdetektor: Technologieoptionen Monolithtic Activ Pixel Sensors (IReS,LEPSI,RAL,Liverpoool, Glasgow,Geneva,NIKHEF) Standard CMOS-Technologie Ladung aus „Epitaxial Layer“ diffundiert thermisch zum „N well“ Depleted Field Effect Transistor (Bonn, Mannheim, MPI HLL München) Ladung wird in der Potentialmulde (internes „Gate“) gesammelt aModulierung des Transistorstroms - - - + - + - + + -

Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Erwartete Auflösung in r,f und r,z s= 4.2 Å 4.0/p(GeV)mm M l/sl c-Quark-ID: Faktor 2 bis 3 besser als SLD 1.Lage bei 1.5 cm wichtig !! Reinheit Effizienz b/b: 80% 80% c/c: 90% 35% LEP-c - -

Vertexdetektor: Rekonstruktionsgüte Messung von Hgxx Mit Genauigkeit von 2.4 % für bb 8.3 % für cc 5.5 % für gg Präzision erlaubt Diskriminierung zwischen SM und MSSM bis zu MA = 1 TeV auf 1s-Niveau

Impulsauflösung: Spurdetektoren Schlüsselprozess Unabhängig vom H Zerfall Rückstossmasse zu ll: aMH, sZH, gZZH, Spin Winkelverteilung der ll: a Spin, CP,... e+e-gZgZHgll X Präzise Messung der Lepton-Impulse Ziel: dMmm <0.1x GZ ad(1/p) = 7x10-5/GeV bUnterdrückung des Untergrundes gute Auflösung für c Rückstossmasse

Spurdetektorsystem im Überblick Zentralbereich: Pixelvertexdetektor (VTX) Silizium-Streifendetektor (SIT) Zeitprojektionskammer (TPC) Vorwärtsbereich: Räder in Silziumtechnologie (FTD) Vorwärtsspurkammer (FCH) (z.B. Strawtubes) Anforderungen: Effiziente Spurerkennung/gute Auflösung bis zu kleinsten Winkeln Separate, robuste Spurfindung in TPC (240) und in VTX+SIT (7 Punkte) a erlaubt gegenseitige Kalibration, Alignment exzellente Impulsauflösung d(1/p) < 7 x 10-5 /GeV

Gasgefüllter oder Silizium Spurdetektor? gasgefüllt Silizium Menschliches Auge bevorzugt „links“ für Spurerkennung

Warum eine TPC ? Viele 3-dim. Spurpunkte a robuste u. effiziente Spurerkennung auch bei hoher Spurdichte Minimierung des Materials a geringer Einfluss auf Kalorimetrie, wenig Vielfachstreung Teilchenidentifikation durch Messung von dE/dx Spurnachweis bis zu grossen Radien (0.4 bis 1.6 m) Erkennung von „Knickspuren“ Smuon g Muon + Gravitino dE/dx: neue geladene stabile langlebige Teilchen

Design der TPC Viele Spurpunkte: 240 Punktauflösung: s = 150 mm Gr. Hebelarm: RI/A = 40/160 cm Wenig Material : 3% X0 TPC: d(1/p) = 2.0 x 10-4 GeV-1 +VTX: d(1/p) = 0.7 x 10-4 GeV-1 + SIT: d(1/p) = 0.5 x 10-4 GeV-1 Auslesezeit 50 ms = 160 BX a 80000 Treffer in TPC 8x108 Auslesezellen (1.2MPads+20MHz) a0.1% aller Auslesezellen getroffen Kein Problem für die Spurrekonstruktion

Technologien für Gasverstärkung Bisherige TPCs mit Drahtkammer: breites Induktionssignal auf Pads Auflösung limitiert durch: ExB Effekte, Winkel zw. Spur u. Drahtebene starker Ionenrückfluss ohne „Gating“ „dicke“ Endplatte wegen Drahtspannung Alternativen: F&E für Gas Electron Multiplier u. MicroMEGAS Elektronsignal auf Pads , 2 dim. Symmetrie, kleiner Abstand zw. Löchern (kaum ExB) aintrinsisch bessere Auflösung Unterdrückung des Ionenrückflusses keine Drahtspannung adünnere Endkappen

Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 % GEMS und MICROMEGAS Lawine zwischen Gitter und Pads Lawine in GEM-Folie Kaskadierung möglich Unterdrückung der Ionen: bisher erreicht 0.1 bis 1 % F&E: Zeitstabilität und Uniformität der Verstärkung im Magnetfeld, Ionenrückfluss, Gating, Effekt von Raumladungen, Gas, Padstrukturen, Dünne der Endplatten u. Elektronik? Aachen, LBNL, Carleton, Montreal, Victoria, DESY/Hamburg, Karlsruhe, Krakau, MIT, MPI-München, NIKHEF, Novosibirsk, Orsay, Saclay, Rostock

Spurdetektoren: Rekonstruktionsgüte d(1/p) = 5 x 10-5/GeV bei 900 ,Spurrekonstruktion: e=98.4% Auflösungen bei 7o: Dq = 0.025 mrad , d(1/p) = 3 x 10-4/GeV dMH = 50 MeV, ds/s=0.03 ~~ m,c0: dM/M = 0.3%

Jetenergieauflösung: Kalorimetrie Ist elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen? Rekonstruktion des Higgs-Potenzials via Messung von l in ZHH gqqbbbb LEP-Detektor LEP-Detektor: dE/E = 0.6(1+|cosqJet|)/ÖE(GeV ) Signifikanz = 3 UG Signal aZiel: dE/E = 0.3/ÖE(GeV)

Partonimpulse: Kalorimetrie Detektor: Spuren u. Energiedepositionen Energieflussalgorithmus: 4er-Impulse der Teilchen Bildung der Jets = 4er-Impulse der Quarks Kinematische Fits oft nicht anwendbar wegen Beamstrahlung, ISR und fehlender Energie: n, LSPs aexzellente Kalorimetrie ZHHgqqbbbb

Kalorimetrie: Jetenergieauflösung EJET = 60% X+/- + 30% g +10% n,K0 „Energiefluss“ Technik: Messung von Geladene Teilchen in Spurkammer Photonen im el.-mag. Kalorimeter Rest (n,K0) im hadron. Kalorimeter Idealfall: dE/E = 0.15/ÖE (GeV) für perfekte ID und kein Schauerüberlapp Trennung und ID der einzelnen Teilchen: X0, Rmoliere klein: kompakte Schauer X0 / lhad klein: Separation von el.-mag. und hadronischen Schauern a laterale u. longitudinale Segmentierung HCAL K,n p e g ECAL Granularität wichtiger als E-Auflösung

Kalorimeter: Konzept ECAL: Silizium-Wolfram-Kalorimeter Wolfram ideal: X0 /lhad = 1/25, Rmoliere~9mm Segmentierung: lateral 1cmx1cm longitudinal: 40 Lagen (24 X0, 0.9lhad) Auflösung: dE/E =0.11/ÖE(GeV) Å 0.01 dq = 0.063/ÖE(GeV) Å 0.024mrad I)Tile HCAL Rostfreier Stahl + Szinitillator Segmentierung: lateral 52 bis 252 cm2 longitudinal: 9 bis 12 4.5 bis 6.2 lhad II) Digitales HCAL Rostfreier Stahl + Digitale Trefferauslese via RPCs, Drahtkammern, GEMs,... Segmentierung: lateral 1x1 cm2 longitudinal: wie bei TILE Auflösung: dE/E =0.4/ÖE(GeV) Å 0.05 HCAL ECAL

Kalorimeter: F&E In internationaler CALICE Kollaboration (26 Inst., 9 Länder) ECAL: Produktion und Qualitätskontrolle von W-Platten, Design von Si-Sensoren, Ausleseelektronik u. Detektormechanik HCAL: Optimierung der Zellgrössen, Mechanik TILE: Signalausbeute (Lichtleiter, photosensitive Detektoren) DIGITAL: Auslesetechnologie, -elektronik Gemeinsames Auflösungsvermögen, Rekonstruktionsgüte aSoftware-Entwicklung: Energieflussalgorithmen aTeststrahluntersuchung mit kombinierten ECAL+HCAL-Modulen hermetisch bis zu 5 mrad: Low Angle Tagger (LAT): 83 bis 27 mrad Silizium-Wolfram (Si-W) Lumi. Kalorimeter (LCAL): 28 bis 5 mrad Diamant-W, Si-W, PbWO-Kristalle Strahlenbelastung: 2 MGy pro Jahr F&E: Cracow,Tel Aviv, Minsk, Prag,Colorado, Protvino,UCL London, Dubna, DESY

Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte Granularität des ECAL: dq = 68mrad/ÖE(GeV) Å 8mrad ohne Vertexeinschränkung OPAL z.B.: NeutralinogGravitino+Photon Photonstossparameter Ddg~1cm Jetenergie:dE/E = 0.3/ÖE (GeV) Signifikanz Sig./ÖUG=6 dl/l = 22% ZHHg qq bb bb Dist=((MH- M12)2+ (Mz- M34)2 + (MH- M56)2)1/2

Kalorimeter: Rekonstruktionsgüte Falls kein Higgs: Enträtselung der elektro-schwachen Symmetriebrechung mittels Messung von ? e+e-gnnWW(ZZ)gnnqqqq Bestimmung der beiden Dijetmassen: Unterscheidung WW und ZZ dE/E = 0.3/ÖE dE/E = 0.6/ÖE

Zusammenfassung Präzisionsphysik bestimmt das Detektordesign Anforderungen „anders“ als bei LHC (und LEP) Jetzt F&E für neue Technologien Das Physikpotenzial bei TESLA ist herausragend, die Anforderungen an den Detektor herausfordernd

Parallelvorträge zu Detektor F&E: Vertexdetektor: 103.2, 103.7, 106.5, 403.4, 603.6, 603.8 TPC: 107.1, 205.6, 407.1 bis 7 Kalorimeter: 607.1, 607.2 gg-Option:107.6, 107.7 Weitere Informationen unter: http://www.desy.de/~schreibr/ecfa/detector-RandD.html http://www.desy.de/~lcnotes http://tesla.desy.de/new_pages/TDR_CD/start.html Ein herzliches „Danke schön“ an: Andreas Ludwig, Karsten Büsser, Dean Carlen, Klaus Desch, Rolf Heuer, Thorsten Kuhl, Christoph Rembser, Marcel Trimpl, Norbert Wermes und viele andere aus dem ECFA LC-Workshop